基于脑电自回归预测的实时相位估计方法
发布时间：2021-10-13 12:25
经颅电刺激（transcranial electric stimulation, TES）等无创刺激方式在与大脑内在神经电活动锁相时,能更有效的调节神经振荡活动。由于脑电（electroencephalogram, EEG）信号复杂的时变性,现有的方法难以同时满足相位估计精度和实时性的要求。为此,提出一种用于锁相刺激系统的实时相位估计方法。该方法对EEG信号进行自回归（autoregressive, AR）建模,然后利用AR模型预测EEG信号并进行相位特征点识别,再通过相位特征点计算出待刺激点的相位。采用该方法对20名受试者（年龄20～36岁,男性12名,女性8名）的闭眼静息EEG数据进行分析,发现该方法的性能与模型系数更新时长、预测步长及EEG的窄带功率大小有关,对高窄带功率的EEG数据具有更优性能;在最佳模型参数下（模型系数更新时长为5 s、预测步长为30）,20名受试者的平均锁相指数（phase locking value,PLV）为0.968,平均相位误差（average phase error,APE）为13.33°。相对于平均周期法,该方法具有更高的PLV值和更低的相位误差...
【文章来源】：电子测量与仪器学报. 2020,34(06)北大核心CSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
相位特征点示意图
在上述分析的基础上,PP-AR方法的实现流程如图2所示。本文侧重于对算法性能的验证,采用的测试数据为1 min闭眼静息的离线EEG信号[14-16]。算法实现过程如下:首先从1 min的EEG中选取长度为L的数据进行分析,对长度为L的EEG做FFT变换得到中心频率然后进行窄带滤波,再取长度为L/4的数据进行AR建模;接着采用AR模型对余下(3/4)·L的EEG进行预测,预测时长至少为T/4(T为滤波后EEG的平均周期);对预测数据做30阶平滑处理后再进行相位特征点识别,平滑处理是为解决AR预测步长过长而引起的数据畸变;再根据相位特征点计算出预测数据的相位值;由于FIR滤波会带来相位延迟,最后需要将估计的相位值减去相位延迟以实现相位校正。
PP-AR方法主要包括窄带滤波、AR预测、相位特征点识别及相位计算4部分。图3所示为1名受试者2 s静息态EEG在各个计算部分的结果。图3(a)为原始EEG、滤波EEG及AR预测EEG的波形比较(预测步长为30)。可以看到预测EEG与滤波EEG在波形突变处、波峰及波谷点附近存在差异,其余地方波形基本吻合,说明AR模型能较好地进行滤波EEG预测。图3(b)的横轴为相位特征点序号;纵轴左为相位误差;纵轴右为相位特征点的时间间隔(time interval between phase feature points,TIBP)。从图3(b)可以看到,真实EEG的TIBP在17～20序号范围内突然增大,AR预测得到的TIBP与真实值存在较大误差。相应地,可以在该序号范围观察到相位误差增大,其他相位特征点处的相位误差较小,误差值在10°附近波动。
【参考文献】：
期刊论文
[1]功能性电刺激对运动想象皮层活动的影响研究[J]. 陈龙,张磊,王仲朋,刘爽,明东. 仪器仪表学报. 2019(02)
[2]磁诱导对脑卒中患者运动康复的影响研究[J]. 周鹏,刘静,王春方,孙畅,王学民,杜金刚,明东. 电子测量与仪器学报. 2017(08)
[3]基于视听交互刺激的认知机理与脑机接口范式研究进展[J]. 安兴伟,曹勇,焦学军,明东. 电子测量与仪器学报. 2017(07)
[4]分层向量自回归的多通道脑电信号的特征提取研究[J]. 王金甲,陈春. 自动化学报. 2016(08)
[5]知觉相关的神经振荡-外界节律同步化现象[J]. 张雪,袁佩君,王莹,蒋毅. 生物化学与生物物理进展. 2016(04)
[6]无创式脑调制的神经效应研究进展[J]. 伊国胜,王江,魏熙乐,邓斌. 科学通报. 2016(08)
[7]基于遗传算法特征选择的自回归模型脑电信号识别[J]. 牛晓青,叶庆卫,周宇,王晓东. 计算机工程. 2016(03)
[8]一种闭环式神经电刺激系统的设计[J]. 封洲燕,陈丹,肖乾江. 仪器仪表学报. 2012(02)
[9]新型电刺激仪中反馈功能的实现[J]. 宋亚光,毕晓旭,舒泰茵,甄圣侃. 电子测量技术. 2010(07)
本文编号：3434660
【文章来源】：电子测量与仪器学报. 2020,34(06)北大核心CSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
相位特征点示意图
在上述分析的基础上,PP-AR方法的实现流程如图2所示。本文侧重于对算法性能的验证,采用的测试数据为1 min闭眼静息的离线EEG信号[14-16]。算法实现过程如下:首先从1 min的EEG中选取长度为L的数据进行分析,对长度为L的EEG做FFT变换得到中心频率然后进行窄带滤波,再取长度为L/4的数据进行AR建模;接着采用AR模型对余下(3/4)·L的EEG进行预测,预测时长至少为T/4(T为滤波后EEG的平均周期);对预测数据做30阶平滑处理后再进行相位特征点识别,平滑处理是为解决AR预测步长过长而引起的数据畸变;再根据相位特征点计算出预测数据的相位值;由于FIR滤波会带来相位延迟,最后需要将估计的相位值减去相位延迟以实现相位校正。
PP-AR方法主要包括窄带滤波、AR预测、相位特征点识别及相位计算4部分。图3所示为1名受试者2 s静息态EEG在各个计算部分的结果。图3(a)为原始EEG、滤波EEG及AR预测EEG的波形比较(预测步长为30)。可以看到预测EEG与滤波EEG在波形突变处、波峰及波谷点附近存在差异,其余地方波形基本吻合,说明AR模型能较好地进行滤波EEG预测。图3(b)的横轴为相位特征点序号;纵轴左为相位误差;纵轴右为相位特征点的时间间隔(time interval between phase feature points,TIBP)。从图3(b)可以看到,真实EEG的TIBP在17～20序号范围内突然增大,AR预测得到的TIBP与真实值存在较大误差。相应地,可以在该序号范围观察到相位误差增大,其他相位特征点处的相位误差较小,误差值在10°附近波动。
【参考文献】：
期刊论文
[1]功能性电刺激对运动想象皮层活动的影响研究[J]. 陈龙,张磊,王仲朋,刘爽,明东. 仪器仪表学报. 2019(02)
[2]磁诱导对脑卒中患者运动康复的影响研究[J]. 周鹏,刘静,王春方,孙畅,王学民,杜金刚,明东. 电子测量与仪器学报. 2017(08)
[3]基于视听交互刺激的认知机理与脑机接口范式研究进展[J]. 安兴伟,曹勇,焦学军,明东. 电子测量与仪器学报. 2017(07)
[4]分层向量自回归的多通道脑电信号的特征提取研究[J]. 王金甲,陈春. 自动化学报. 2016(08)
[5]知觉相关的神经振荡-外界节律同步化现象[J]. 张雪,袁佩君,王莹,蒋毅. 生物化学与生物物理进展. 2016(04)
[6]无创式脑调制的神经效应研究进展[J]. 伊国胜,王江,魏熙乐,邓斌. 科学通报. 2016(08)
[7]基于遗传算法特征选择的自回归模型脑电信号识别[J]. 牛晓青,叶庆卫,周宇,王晓东. 计算机工程. 2016(03)
[8]一种闭环式神经电刺激系统的设计[J]. 封洲燕,陈丹,肖乾江. 仪器仪表学报. 2012(02)
[9]新型电刺激仪中反馈功能的实现[J]. 宋亚光,毕晓旭,舒泰茵,甄圣侃. 电子测量技术. 2010(07)
本文编号：3434660
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